電気自動車(EV車)や家庭用蓄電池など、社会に普及している蓄電池は「リチウムイオン電池」が主流です。
リチウムイオン電池は、ここ数年で耐久性やサイズなど飛躍的に改善されていますが、リチウムイオン電池のリスクとして「発火」は免れません。
また、電気自動車(EV車)においては「航続可能距離」、リチウムイオン電池全体としては「寿命」「価格」が継続的な課題です。
リチウムイオンの主な原材料はコバルトで希少金属資源なので、供給量に対して需要過多になれば価格が高騰し、蓄電池の導入コストにも影響します。
リチウムイオン電池の抜本的な課題を解決しうる次世代蓄電池が「全固体電池」というわけです。
全固体電池は、近年の技術進化により注目を浴びているエネルギー貯蔵技術の1つです。従来のリチウムイオン電池とは異なり、液体の電解質を使用しないため、多くのメリットが期待されています。しかし、新技術であるため、まだ知られていない側面も多いでしょう。この記事では、全固体電池の基本的な仕組みから、そのメリット、デメリットまでを総合的に解説していきます。
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全固体電池の仕組みや種類とは？
全固体電池とは、固体電解質を用いた電池のことです。液体の電解質よりも耐久性や安全性に優れており、その特性から高いパフォーマンスを誇ります。そのうえ、さまざまな形状やサイズに対応可能です。いまだ開発途上ですが、電気自動車や医療機器、工場の自動化システムなどでの使用が期待されており、多くのメーカーが研究・開発を進めています。
全固体電池のメカニズム
全固体電池もリチウムイオン電池に似た仕組みであり、イオンが電解質を介して電極間を移動し、これにより電流が流れます。両者のおもな違いは電解質の状態です。リチウムイオン電池が液体なのに対し、全固体電池は固体であることを特徴としています。今までは液体の電解質が主流でしたが、最新の技術により固体電解質でも高いパフォーマンスの実現が可能です。
全固体電池のバリエーション
製法により、全固体電池はおもに「バルク型全固体電池」と「薄膜型全固体電池」の2つのタイプに分けられます。
バルク型全固体電池
バルク型全固体電池は、各部分に粉状の材料を使用しており、大容量の電池製造に適しています。特に電気自動車のバッテリーなど、大型用途向けです。ただし、電池抵抗を減少させることが、今後の開発での課題とされています。
薄膜型全固体電池
薄膜型全固体電池は、各層が細い構造のため、小型デバイス用途に最適です。リサイクル寿命の長さが期待でき、現在はセンサーやIoT向けのデバイスに使用されています。容量増加を課題として技術開発が進められています。
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全固体電池のメリットとは
これまでの電池技術と比較して、全固体電池には、おもにこれから紹介する4つのメリットがあります。
安全性・サイズ
リチウムイオン電池と全固体電池の違いは、上図のようにイオンが移動する媒体（電解）が、液体か個体かの違いのです。
リチウムイオン電池は媒体が電解液で液体なので、液漏れを回避する仕様や、電極にカバーが必要でどうしてもサイズが大きくなってしまいます。
一方で、全固体電池は液漏れの心配はなく、電極カバーも不要なのでリチウムイオン電池と比較すると小型化が可能です。
出力が高い
リチウムイオン電池と比較すると全固体電池は、出力密度が高く、電気自動車(EV車)に搭載すると航続距離が長く、充電時間を短時間にできます。
電気自動車(EV車)にとって「航続距離」「充電時間」は極めて重要な要素なので、全固体電池の優位性は高いです。
温度変化への耐性
全固体電池には、高温や低温への耐性があります。一般的なリチウムイオン電池の電解質は液状のため、低温時に性能が低下しがちです。しかし、全固体電池の電解質は固体であることから、そのような問題が少ないのがメリットといえるでしょう。同様に、高温時の不安定さも軽減されています。
急速充電への対応
全固体電池は、大電力の充電にも耐える性質を持っており、高速での充電が可能です。なぜなら、リチウムイオン電池と比べると、充電時の発熱リスクが少ないからです。そのため、安全かつ迅速に充電ができるメリットがあります。
長寿命
全固体電池は劣化が遅いため、使用寿命が延びるという特長があります。従来の電池では電解質などに副反応が起こり易く、それが性能低下の原因となっていました。しかし、全固体電池は構造上、副反応が起こりにくく、長寿命を実現できるメリットがあります。
設計上の柔軟性
液漏れなど、液体電解質のリスクを伴わない全固体電池は、さまざまな形状や構造の電池を設計できるのがメリットです。従来の電池のような制約がないため、小さく、薄く、または多層にして使用できるメリットがあります。研究が進めば、新しい応用例が増えることを期待できるでしょう。
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全固体電池の課題や問題点とは
実用化に向けて多くの期待が寄せられる全固体電池ですが、ここで紹介するように、まだいくつかの課題や問題点が存在しています。
固体電解質における問題点
固体電解質には、電極との接触における問題点があります。電池の性能を最大限に引き出すには、電解質と電極がしっかりと接していることが必要です。しかし、固体同士を常に密着させるのは簡単ではありません。そのため、材料の選定や研究が続けられています。液体電解質は形状変化に柔軟なため、電極の動きにも対応して密着しやすいのです。
電極材料の問題点
全固体電池のエネルギー密度の向上は、電極材料の選択と研究にかかっています。高いエネルギー密度を実現すれば、軽くて小さい電池でも多くのエネルギーの保持が可能です。そのため、効率のよい適切な電極材料の探求が課題といえます。
生産過程での難しさ
全固体電池の製造には、従来のリチウムイオン電池とは異なる専用の設備が要求されます。たとえば、固体電解質に硫化物を使用する場合です。硫化物は外部の湿気に非常に敏感なため、湿度を厳密に管理する施設が必要となります。このように、生産過程においての効率とコストのバランスを見つけることが、今後の課題です。
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全固体電池の価格と今後の傾向
全固体電池は依然として高価格
現在、全固体電池はリチウムイオン電池のおよそ4〜25倍の価格といわれています。液体ではなく不燃性の固体電解質を用いることでコスト低減が期待されてはいるものの、現状では依然として高価です。背景には、製造コストや研究開発費、材料コストの高さがあり、量産化がまだ難しいことが大きな要因となっています。
技術進歩と競争による価格低下の可能性
とはいえ、全固体電池の価格は今後の技術革新や市場環境によって変動していくと考えられます。量産技術が確立されれば、コストは大幅に下がる見込みです。
企業による量産化への取り組み
すでに複数の企業が全固体電池の実用化と量産化に向けて動き出しています。特に、トヨタ自動車と出光興産が提携し、大規模な量産体制の構築を進めていることは注目に値します。こうした取り組みが進展すれば、全固体電池の価格低下と普及に大きく寄与するでしょう。
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家庭向け全固体電池の新たな展望
劣化が少なく長寿命な電池
全固体電池は、充電による劣化がほとんど見られない点で注目されています。繰り返し充電を行っても長期間にわたり安定した性能を維持できるため、従来のリチウムイオン電池よりも寿命が長いのが特徴です。また、液体電解質を使用しないことで、発火や液漏れといったリスクも大幅に低減されています。
高い耐環境性と安全性
マクセルが開発した全固体電池は、マイナス50℃からプラス125℃という広い温度範囲で使用可能です。この高い耐環境性によって、さまざまな条件下でも安心して利用でき、電池の持ち時間を気にせず安定的に使える点が強みとなっています。
医療機器や小型デバイスへの応用
全固体電池は、医療機器の分野でも大きな期待を集めています。たとえば、ペースメーカーのように体内に埋め込む装置では、従来は数年ごとに電池交換のための手術が必要でした。しかし、全固体電池の採用により交換頻度が大幅に減り、患者の負担軽減につながると考えられます。
さらに、電極や固体電解質を薄く積層することで、小型化や容量アップを実現できるだけでなく、電極素材の自由度も高まります。これにより、スマートフォンやノートパソコンなどでの大容量化や高速充電にも適応可能です。
多様な分野での可能性
全固体電池は電気自動車用として注目されがちですが、実際にはスマートフォンやウェアラブルデバイス、家庭用機器など幅広い分野での応用が期待されています。購入時の充電性能を長期間維持できることから、日常生活のさまざまなシーンで利便性を高める存在となるでしょう。
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信頼の安全設計：全固体電池の特長
発火リスクの低減
全固体電池の大きな魅力は、発火リスクが極めて低い点です。従来のリチウムイオン電池では、可燃性の有機電解質を使用しているため、過度な負荷や高温状態で火災が発生する可能性があります。これに対し、全固体電池は固体電解質を採用しているため、同様のリスクを大幅に軽減でき、安全性が飛躍的に高まっています。
温度変化への強さ
全固体電池は温度に対する耐性にも優れています。リチウムイオン電池は低温時に充放電性能が落ち、高温時には安全性に不安が伴います。冬季にスマートフォンの電池が急激に減る経験は、その典型例といえるでしょう。一方、全固体電池は広い温度範囲で安定した性能を発揮できるのが特徴です。
高温環境でも高い信頼性
さらに、全固体電池には400℃以上の高温で製造されるタイプもあり、その耐熱性の高さが実際の使用環境でも活かされています。高温条件下でも安全性を保てることから、従来の電池では難しかった用途にも期待が高まっています。
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全固体電池のエコロジー性：環境保全への貢献
安全な材料による環境負荷の低減
全固体電池は、電解質として安全性の高い固体素材を使用しています。これにより、製造や廃棄の際に有害物質が発生しにくく、従来のリチウムイオン電池に比べて環境への負荷を抑えることができます。
再利用性の高さ
構成成分が再利用しやすい点も、全固体電池の大きな特長です。資源の有効活用を可能にし、廃棄時の環境負荷を軽減します。リサイクルの観点からも、環境にやさしい選択肢といえるでしょう。
液漏れや発火リスクの低さ
液体電解質を使用しないため、液漏れや発火のリスクが低減されます。事故による環境への被害を防ぐうえで、この安定性は大きなメリットです。
高いエネルギー効率
全固体電池は高エネルギー密度を誇り、同じサイズのリチウムイオン電池より多くの電力を蓄えることが可能です。その結果、電気自動車や電動機器の稼働効率が向上し、無駄なエネルギー消費を抑えられます。
耐久性による廃棄物削減
一般的に全固体電池は寿命が長いため、交換や廃棄の頻度が減少します。これにより資源の消費を抑え、廃棄物削減にもつながります。
今後の課題
これらの特性から、全固体電池はリチウムイオン電池に比べて環境にやさしいと評価されています。ただし、技術はまだ開発途上であり、実際の環境負荷は製造方法や利用環境、リサイクルの仕組みによって変わる可能性があります。
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国内および世界の蓄電池市場のトレンドと今後の展望
蓄電池は、車に使われるものから家庭や業務用のものまで、さまざまな分野での利用が広がっています。特に車用の蓄電池は、電気自動車の人気の高まりと共に、急速に市場が伸びているのです。ここでは、日本と世界の蓄電池市場の動向を紹介していきます。
国内市場の動向
日本では家庭や事業所向けの定置用蓄電池の需要が年々高まっています。東日本大震災以降、緊急時の電源確保や電力不足対策として補助金が導入され、市場拡大のきっかけとなりました。さらに、太陽光発電の余剰電力買取制度が終了を迎えることで、自家消費ニーズの高まりから再び蓄電池への注目が集まっています。
産業分野での用途拡大
再生可能エネルギー業界では、出力が不安定になりやすい太陽光や風力と蓄電池を組み合わせることで安定供給を実現する動きが進んでいます。加えて通信業界では、データセンターや5G基地局のバックアップ電源としての導入が進み、蓄電池需要は今後も増加すると見込まれています。
車載用バッテリー市場の急成長
電気自動車の普及に伴い、車載用バッテリー市場も急速に拡大しています。パナソニックはトヨタや米国テスラに供給を行い、大きな存在感を示していますが、近年は中国や韓国メーカーが台頭し、日本の優位性は相対的に低下しつつあります。
政府の新戦略と将来展望
この状況を受け、経済産業省は新たな蓄電池関連計画を打ち出しました。その中では、2030年までに現在の5倍以上の製造能力を確保し、世界市場でのシェア拡大を目指す方針が掲げられています。日本の技術力を再び国際競争の中で強化する取り組みが進められているのです。
世界市場の動向
定置用蓄電池の需要は世界的に拡大しています。再生可能エネルギーの利用拡大を背景に、今後も市場は成長を続けると予測されています。また、電気自動車市場の急速な拡大も蓄電池需要を押し上げ、出荷量の増加につながっています。
日本のシェア低下と課題
かつて日本は世界市場で高いシェアを誇っていましたが、現在では徐々に低下傾向にあります。市場で存在感を維持・拡大するためには、価格競争力の強化や生産能力の向上が不可欠です。
リユース・リサイクルの重要性
持続可能な電池エコシステムを実現するうえで欠かせないのがリユースやリサイクルです。日本でもこの分野での技術開発や支援が進められており、使用済み電池の資源循環を通じて環境負荷の低減を目指しています。
蓄電池の拡大がもたらす未来
蓄電池の普及は、持続可能なエネルギー社会を実現するための重要な一歩です。研究開発の進展や製品品質の向上は、将来のエネルギー課題の解決に直結し、社会全体の安定した電力供給を支える基盤となるでしょう。
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家庭用蓄電池としての全固体電池選択のポイント
ここでは、全固体電池を家庭用蓄電池として選ぶ際に考慮すべき、いくつかのポイントを紹介していきます。
エネルギー容量
家庭で必要とされる平均的なエネルギー使用量を計算し、必要なエネルギー容量を持つ蓄電池を選択しましょう。エネルギー容量は通常、kWh（キロワット時）で表示されます。
出力能力
蓄電池の最大出力（通常kWで表示）が、家庭のピーク電力需要を満たすことを確認しましょう。たとえば、エアコンや電子レンジなどの高消費電力機器を同時に使用する際の電力需要を満たすことを確認します。
寿命と保証
蓄電池の寿命は、通常、充電・放電のサイクル数で示されます。その数をチェックして、どのくらい長期間の使用が可能かを考慮して電池を選択しましょう。また、保証期間を確認しておくことも大切です。
価格
予算内で最も希望に近い蓄電池を見つけることが理想ですが、初期投資だけではなく、運用コストも考慮することが重要です。運用コストとは、保守・メンテナンス費用やソフトウェアに対するアップデート費用、それに破棄またはリサイクルするときに必要な費用などを指します。
設置と保守
蓄電池を設置する場合に、場所の制限がないか、必要な工具や専門家は必要か、また、定期的なメンテナンスを必要とするかなどを確認します。
安全性
全固体電池は、液体電解質のリスクがないため安全とされています。しかし、製品認証や安全基準を満たしているかの確認は必要です。製品認証としては、アメリカを中心とした多くの国で使われている「UL認証」やヨーロッパ経済圏で使われている「CEマーキング」、それに、国際的な基準としての「IEC規格」などがあります。
メーカーの評判
メーカーの過去の製品履歴や顧客へのフィードバック、またはアフターサービスの質などを調査し、信頼性を確認するのもポイントです。
環境への影響
全固体電池の製造プロセスや材料の環境への影響、廃棄時の処理方法など、エコフレンドリーな選択をするための情報を収集するのも、選択の際のポイントといえます。
地域のインセンティブと補助金
地域ごとの補助金や税制優遇、電力会社のインセンティブなど、蓄電池導入の経済的な支援を調査し、適用可能なものを利用するのも、選択の際の大きなポイントです。
以上に紹介した要因を考慮することで、全固体電池を家庭用蓄電池として選択する際の判断がより明確になるでしょう。
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おもな全固体電池メーカーと製品の特徴
ここでは、おもな全固体電池メーカー7社とそれぞれの製品の特徴を紹介していきます。
1.TDK株式会社
TDK株式会社は、全固体電池技術の開発に注力しており、その中でもセラミック固体電解質を利用した技術の研究が進められています。さまざまなデバイスや機器に利用されることを目指しているのが特徴です。特に、モバイルデバイスやウェアラブルデバイス、さらには電気自動車や再生可能エネルギー関連の用途などでの使用が期待されています。TDK株式会社が提供する全固体電池の製品は、液漏れや火災のリスクが低いとされており、製品の安全性の高さが特徴です。
2.マクセル株式会社
マクセル株式会社の特徴は、独自の導電性カーボン技術を用いた全固体電池の開発への取り組みです。この技術は、電池の寿命を大幅に延ばす可能性があるとされています。また、高エネルギー密度を持つ電池の開発に力を入れているのも特徴です。そして、この考えが反映された、小型ながらも長寿命・高出力を実現する製品の提供を目指しています。さらに、マクセル株式会社の全固体電池は、携帯デバイスから大型のエネルギー貯蔵システム、さらには電気自動車まで、さまざまな用途に適応するよう開発が進められているのも特徴です。
3.トヨタ自動車
トヨタ自動車は、全固体電池の技術開発を進めることで、次世代の電気自動車市場においてもリーダーシップを維持し、持続可能な社会の実現に貢献する方針を掲げています。トヨタ自動車が開発している製品の特色は、電気自動車により長い航続距離を持たせることと、急速充電への対応です。これにより、トヨタ自動車は電気自動車の普及促進に寄与する可能性があります。
4.村田製作所
村田製作所は、その独自の技術力と革新的な研究開発を背景に、全固体電池分野での競争力を高めているメーカーです。セラミック技術を中心とした独自の技術力を持っており、これを生かして全固体電池の開発が進められています。また、非常に小型の電池製品を製造することが可能であり、ポータブル電子機器やウェアラブルデバイスに適した製品を提供しているのが特徴です。村田製作所の全固体電池は、スマートフォンやタブレット、ウェアラブルデバイス、さらには電気自動車やエネルギー貯蔵システムなど、幅広い応用分野での使用が考えられています。
5.日本電気硝子株式会社
日本電気硝子株式会社は、長年にわたるガラス技術の経験とノウハウを生かして、全固体電池の開発におけるガラス系固体電解質の研究を進めているメーカーです。ガラス系の固体電解質を使用することで電池の安全性を向上させ、特に、リークや発火のリスクを低減させることが期待されています。技術力を生かした高いイオン伝導性と長寿命を持つ製品の開発を目指しているのが特徴です。また、リサイクルが容易な材料を使用することで、サステナビリティの向上を図っています。
6.日立造船株式会社
日立造船株式会社は、エネルギーおよび環境技術の分野で広範な活動を展開しており、その知見を生かした全固体電池の研究開発を進めています。その特徴は、多岐にわたる技術のノウハウを生かした独自の技術や材料の研究です。日立造船株式会社による製品は、エネルギー関連の事業を多く手掛ける企業として、全固体電池の技術をさまざまな産業や用途に適用する可能性を探求したものになっています。
7.日本ガイシ株式会社
日本ガイシ株式会社は、長年にわたる陶磁器製品の製造技術を持っており、このノウハウを活用して全固体電池の電解質や電極の材料開発に取り組んでいます。NAS電池（高温型ナトリウム硫黄電池）の開発や商業化に成功しており、その経験を生かした全固体電池の研究開発を進めているのも特徴です。日本ガイシ株式会社の製品は、電気自動車からステーショナリータイプのエネルギー貯蔵システムまで、幅広い応用分野での利用を目指しています。持続可能な社会の実現を目指し、CO2排出量の削減や再生可能エネルギーの利用拡大に貢献する技術として全固体電池の研究開発を進めていることも、特徴の1つといえるでしょう。
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蓄電池テクノロジーの新たな展望と将来の見込み
全固体電池がもたらす市場の可能性
全固体電池が大量生産されるようになれば、電気自動車のさらなる普及を後押しし、市場の主導権を握ることが可能です。そのため、世界中のメーカーがこの技術の完成を目指し、研究を重ねています。日本の自動車メーカーも2020年代中の実用化を目標に掲げていますが、量産化には依然として課題が残されています。
実用化に立ちはだかる課題
商品化への最大の壁は、電気自動車用に適した電解質素材の開発と、リチウムイオン電池に比べてコスト競争力を持つ製造技術の確立です。より効率的かつ経済的な生産体制の構築が不可欠とされています。
新技術による突破口
2021年5月には、国内のベンチャー企業が新たな全固体電池技術を発表しました。樹脂を主体に製造する方式で、部品点数を減らし、従来のリチウムイオン電池よりも短い工程で生産できる点が特徴です。これにより、コスト削減やリードタイム短縮が期待されています。
初期利用と将来展望
全固体電池は、初期段階では発電施設の蓄電システムとして利用されると見込まれます。しかし長期的には、家庭用蓄電池や公共交通機関への応用など、多方面での展開が期待されています。コストダウンと量産体制が整えば、家庭レベルでの普及も現実のものとなるでしょう。
日本の技術力と国際的優位性
日本は電池技術において高い研究開発力を持ち、特許申請数でも世界トップクラスを維持しています。政府の支援も進んでおり、ブレイクスルーが実現すれば日本企業が世界をリードする可能性は十分にあります。全固体電池をめぐる動向は、今後ますます注目すべき分野です。
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